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高分辨率柔性纳米电子技术，首次在搏动心脏上捕获心肌细胞颤动信号

心脏组织工程已成为修复受损心肌的重要策略，尤其是利用人诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）进行移植。然而，尽管技术不断进步，移植后的hiPSC-CMs常表现出未成熟表型，包括胎儿型肌节结构、成人型肌球蛋白重链表达不足，以及易引发心律失常的自主搏动现象。这些问题成为其临床应用的主要障碍，尤其在大型动物模型中观察到可能致命的心室心律失常。

哈佛大学Richard T. Lee课题组、刘嘉课题组合作，探索了临床已批准的自组装肽RADA16对hiPSC-CMs移植后血管化、肌节结构和电生理适应的影响。研究发现，RADA16能加速hiPSC-CMs向成人样基因表达谱的转变，增强肌节组织并促进移植部位的血管化。通过柔性网状纳米电子技术，研究团队首次在搏动的心脏中捕捉到移植hiPSC-CMs的颤动信号，并发现RADA16能显著降低其自主搏动性。这些发现不仅展示了自组装纳米纤维在推进心脏细胞治疗方面的潜力，也突显了柔性纳米电子技术在提升治疗安全性方面的作用。相关论文以“Flexible nanoelectronics reveal arrhythmogenesis in transplanted human cardiomyocytes”为题，发表在

Nature Communications

研究首先通过基因表达分析发现，hiPSC-CMs在RADA16上培养时，表现出更高的成人型肌球蛋白重链MYH7与胎儿型MYH6的比值，以及更高的间隙连接蛋白基因GA11表达，而起搏细胞相关离子通道基因HCM4表达下降，提示RADA16促进了细胞向成熟状态发展。随后，在大鼠左心室壁移植实验中，研究人员观察到无论是单独注射hiPSC-CMs还是与RADA16共注射，细胞均能成功定植并形成血管结构。然而，RADA16组的血管化面积比例显著更高，且通过GSL I灌注实验证实，新生血管与宿主血管实现了功能性吻合。

图1. 注射人iPSC来源心肌细胞（hiPSC-CMs）在大鼠左心室壁的定植、血管化及宿主血管吻合情况。 （A）注射模型示意图；（B）组织切片显示hiPSC-CMs（hMito阳性）和心肌肌钙蛋白T（cTnT阳性）；（C）血管内皮标志CD31显示血管分布；（D）hiPSC-CMs定植面积统计；（E）血管化面积比例统计；（F）GSL I灌注示意图；（G）GSL I与CD31共染色显示血管吻合；（H）吻合血管面积比例统计。

图2. RADA16处理加速hiPSC-CMs在大鼠左心室壁中肌节结构的成熟。 （A）成人型与胎儿型肌节蛋白表达比例在7天和21天的变化；（B）第7天hiPSC-CMs中成人型肌节基因表达差异；（C）第21天表达差异消失。

空间转录组学分析进一步显示，RADA16处理组在移植后第7天即出现明显的成人型肌节蛋白基因（如MYH7和MYL2）表达上调，提示其加速了肌节成熟进程。在结构层面，移植后3个月的免疫荧光与肌节纹理分析（SOTA）表明，RADA16共注射组的hiPSC-CMs表现出更有序的肌节排列和更长的肌节长度，显示出明显的结构成熟特征。此外，该组的血管化程度也显著高于对照组。

图3. 注射后7天和3个月时hiPSC-CMs的肌节组织与血管化情况。 （A、B）hiPSC-CM Alone组肌节结构模糊，Haralick相关性曲线杂乱；（C、D）hiPSC-CM+RADA16组肌节结构清晰，Haralick曲线呈现规律衰减正弦波；（E）肌节组织评分比较；（F）肌节长度统计；（G）3个月时血管化免疫荧光图像；（H）血管化面积比例统计。

在电生理方面，研究采用柔性网状纳米电极阵列记录移植部位的电信号。结果显示，单独注射hiPSC-CMs的部位出现了心律失常性自主搏动，表现为低振幅、长时程的异常电信号；而RADA16共注射组则未检测到此类异常节律。纵向追踪进一步发现，RADA16组的心律失常样搏动比例随时间迅速下降，至135天时完全消失，其电信号特征与宿主窦性节律趋于一致。

图4. 移植后80天使用柔性网状纳米电子记录hiPSC-CM Alone与hiPSC-CM+RADA16组的电信号。 （A）记录工作流程示意图；（B）柔性电极阵列的显微图像；（C）记录装置在心脏上的放置情况；（D、E）参考部位与注射部位的原始电压轨迹；（F）自动搏动信号的放大视图；（G）电信号传播延迟与峰值幅度热图。

图5. 不同处理条件下心脏自动性与窦性节律的比较。 （A）实验设计示意图；（B）随时间自动搏动比例变化；（C）窦性节律与自动搏动信号的时序图；（D）自动搏动与窦性节律的间隔时间分布；（E）归一化间隔时间统计；（F）自动搏动与窦性搏动计数比例；（G）参考部位与注射部位功率谱密度对比。

综上所述，本研究通过高分辨率柔性纳米电子技术首次在小型动物模型中实时捕捉到移植hiPSC-CMs所引发的心律失常，并证明RADA16自组装肽能有效抑制这一现象，同时促进细胞结构与功能的成熟。尽管当前研究主要在健康心脏中进行，未来需在缺血等病理模型中进一步验证其治疗效果，但这一技术为心脏细胞治疗的安全性评估提供了重要工具，也为推动hiPSC-CMs的临床应用奠定了坚实基础。

来源：高分子科学前沿

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